火星探測史

陳若穎

火星與地球距離示意圖

何謂“火星年”

為什么大家都不約而同地選擇2020年暑期發射火星探測器呢？這其中有兩個重要原因：一是火星發射窗口，二是地球與火星的會合周期。我們知道，太陽系內的行星都在圍繞著太陽運轉，但它們各自的公轉周期并不相同，所以當它們運轉到不同的位置時，它們和地球之間的距離就會發生變化。比如地球和火星之間的距離，最近時只有約5500萬千米，而最遠時則有4億千米。選擇在二者距離較近的時候發射飛行器，無疑可以大大節約時間和燃料。因此，這一時段也被稱為火星的“發射窗口”。今年的七八月恰好就是火星的發射窗口，此時從地球發射的探測器經過一段弧形軌道后，最快可以在7個月后就到達火星。除此之外，因為地球和火星相對位置每循環一個周期所需要的時間（即地球和火星的會合周期）大約是26個月。也就是說，如果錯過今年的發射窗口，下一次的火星發射窗口就要等到2022年。因為這種“錯過這次，再等兩年”的規律，各大科研機構紛紛制訂今年的發射計劃，急于將最新科研成果應用于火星探測中。

早期的火星探測

自古以來，人類對火星和火星上的生命充滿無限遐想，火星探測也基本是圍繞著“生命”這一主題展開的。1877年，意大利天文學家斯基帕雷利使用天文望遠鏡觀測到了火星上的黑色暗溝，在他的想象中，這些暗溝是海峽。于是，斯基帕雷利就把這些暗溝稱為“canali”，即意大利語中的“水道”。這一重大發現傳到英國后，“canali”就被人們誤翻譯為“canal”，即英文中的“運河”。于是，火星上存在能夠建造運河的智慧生命的消息不脛而走。由此人們開始對火星環境和火星生命產生了各種猜測，有人認為那些暗溝是火星人用于交通運輸的河道，有人認為火星人在利用運河引水灌溉，而部分科學家卻認為那只是視覺誤差。但在人類還只能通過望遠鏡遠觀火星的時代，任何說法都是無根據的猜測。

火星上的黑色區域

1957年，蘇聯首先將人造衛星成功發射升空，這一轟動全球的事件翻開了人類探索宇宙的新篇章。世界各大科研機構紛紛把目光瞄準地球之外，開始制訂各種宇宙探索計劃，希望能夠充分了解地外天體，搜尋地外生命，甚至進行星際移民。在此基礎上，NASA在1960年啟動了一個名為“地外生命計劃”的項目，設計制造了多個月球探測器并展開對月球的探索。

此時，地外生命學家則將注意力投向更遠的地方——金星和火星。在太陽系八大行星中，金星和火星距地球較近，比較容易探測;不僅如此，它們還都位于太陽系的宜居帶中，可以說是最有可能存在液態水的兩顆行星。相較于金星上濃厚的硫酸云、92 倍的大氣壓、約450℃的高溫以及比一年還要長的一天，火星似乎更具“親和力”，它擁有與地球相近的自轉周期和自轉軸傾角、約-40℃的表面平均溫度和稀薄的大氣層，被人們稱為“地球姊妹星”。如果讓科學家們在太陽系中選擇最有可能存在地外生命的行星，火星肯定得票數最高。

開普勒-22系統和太陽系的宜居帶對比（圖片來源：NASA）

超級鏈接

宜居帶

宜居帶指的是恒星周圍的一個距離范圍，在這個范圍內水分子可以以液態形式存在。因為液態水被科學家們認為是生命存在的必要因素之一，而水分子只有在一定溫度下才會以液態形式出現，所以處于宜居帶內的行星被認為更有可能孕育生命。現在科學家們在太陽系外的行星上搜尋生命時，都是以是否處于宜居帶作為重要判斷標準。

20世紀60年代，美國和蘇聯在航天領域展開了激烈的競爭，人們把那段歷史稱為“太空競賽”。1962年，蘇聯發射了火星1號探測器，雖然它在飛離地球1億千米時就與地面失去聯系，下落不明，但它卻被看作人類火星探測的開端。同年，美國開始實施“水手計劃”，并著手設計了一系列旨在探索水星、金星和火星的探測器。在經歷過失敗后，1964年，美國成功發射了水手4號探測器（以下簡稱水手4號），這是有史以來第一個飛掠火星并傳回數據的火星探測器。收到水手4號發回的第一張圖片信號時，NASA的科學家們甚至等不及電腦處理，自己就先將原始信號簡單轉碼，得到了一張粗糙的圖像。這張看上去荒涼死寂的橘紅色圖片震驚了世界，也讓科學家們開始重新評估火星上存在生命的可能性。

經過簡單處理的世界上第一張火星圖片（圖片來源：NASA）

在此之后，美國又于1969年成功發射水手6號和水手7號探測器飛掠火星，它們的任務是進行火星地表20%的地圖繪制工作并完成對火星大氣環境的分析。最終，這兩個探測器揭示了火星上布滿環形山且沒有運河存在的地表形態。可以說，這一結果使得在火星上尋找智慧生命的希望基本破滅。

為了了解火星上的更多細節，科學家們在1971年再次進行嘗試，成功發射水手9號探測器。這個探測器拍攝了超過80%的火星地表圖像，完整地向科學家們展示了火星表面的環形山、干旱的河床、巨大的死火山和寬廣的峽谷。為了紀念水手9號探測器的貢獻，由它發現的太陽系中最大、最長的峽谷就被命名為“水手峽谷”。

火星上的水手峽谷（圖片來源：NASA）

與美國一樣，蘇聯也嘗試進行了多次火星探測，但可能是運氣不好，他們在這段時間內發射的多個探測器均未能成功抵達火星。不死心的蘇聯人在1971年又接連發射了兩個探測器——火星2號和火星3號，希望能一次性完成火星探測器的環繞及著陸任務。不巧的是，就在著陸時，它們遇上了火星沙塵暴。在沙塵暴之下，火星2號一頭栽進了海拉斯盆地，與地球失去了聯系，但它仍然成為第一個抵達火星表面的人造天體。五天之后，首個成功著陸火星的探測器——火星3號也因為同一場沙塵暴，在工作了僅僅20秒后就與地球失聯，甚至都沒來得及傳回一絲訊息。

早期的這些探測器幫助科學家們初步了解了火星的地表環境以及大氣狀況，使人們認識到火星上基本不可能存在智慧生命的事實，也為后來設計更有針對性的探測任務奠定了基礎。

在火星尋找地外生命

在火星上尋找地外生命，即使看起來希望渺茫，但科學家們卻從未放棄。說到這里，你可能會好奇科學家們判斷地外生命的標準是什么？

大家腦海中的外星人形象，無論是四只眼睛還是八條腿，其實都是以地球上已有的生命為樣本，再經過人類大腦的“加工”產生的。科學家們尋找地外生命時也一樣，主要尋找的就是和地球生命類似的生命形式，即碳基生命。因為即使我們假設宇宙中真的存在另一種生命形式，例如硅基生命，但其實科學家們很難判斷另一顆行星上裸露的巖石會不會也是一種生命。這樣一來，宇宙中任何一處都有可能存在不同形式的生命，搜尋難度就會變得極大，而且這項工作也會失去意義。因此，搜尋和地球生命類似的生命形式，從已知出發，就是目前最謹慎也是最可能有所收獲的一種方法。

為了更好地搜尋地外生命，NASA在1961年邀請生命與環境專家詹姆斯·拉夫洛克參與了美國的空間計劃，重新定義了尋找地外生命的方式。詹姆斯認為，應該擺脫“地球中心論”，拋棄以往直接搜尋生命體和辨認生命體內DNA等物理結構的方法，轉而利用基于細胞的生物反應來搜尋地外生命。他提出可以把搜集來的火星樣本澆上水，以檢測微生物生長的痕跡。詹姆斯的想法直接定義了海盜號探測器（以下簡稱海盜號）的生命探測實驗思路。

由于火星大氣的主要成分是二氧化碳，只有少量水蒸氣，于是科學家們想到可以在地球上的類似環境中對海盜號進行測試。他們在南極洲的干谷、智利的阿塔卡瑪沙漠相繼開展了測試實驗，并且成功尋找到樣本中的生命跡象。這一結果使科學家們備受鼓舞，他們又重新燃起對火星生命的期待。

海盜1號拍攝的第一張火星彩照（圖片來源：NASA）

在這些研究基礎上，1976年，海盜1號和海盜2號成功著陸于火星表面。除了搭載了用于測量火星溫度、磁場、風速等數據的儀器外，它們還攜帶了用于搜尋生命的生物學實驗設備。它們發回的全彩圖片揭示了一個與地球完全不同的世界，人們首次了解到火星上的天空是銹紅色的，而不是類似于地球的藍色。海盜號項目經理對這一歷史性的登陸評價道：“我們創造了歷史！火星從一個詞語、一個抽象的概念，變成了一個實實在在的地方！”

成功著陸后的海盜1號迅速開展了生命搜尋實驗。它挖了一個深約5厘米的土坑，并將獲得的土壤樣本放入探測儀器中進行分析。但分析結果令人困惑，土壤樣本確確實實出現與地球上的光合作用相吻合的讀數，也被發現可能是微生物造成的氧氣和二氧化碳釋放的痕跡，但探測器攜帶的有機物分析儀器卻檢測不到生命跡象。科學家們認為此次探測到的諸多現象更像是化學反應而非生物反應。雖然海盜號并沒有在火星上發現確鑿無疑的生命跡象，但它啟發我們深入思考生命的定義，開啟了“我們是否采用了正確方法尋找生命”的討論。

卡爾·薩根與海盜號著陸器模型（圖片來源：NASA）

通過海盜號的探測，科學家們發現人類對地球上的生命還沒有足夠的了解，所以想在其他行星上搜尋生命一定會困難重重。討論之后，科學家們決定放棄尋找火星上存在生命的證據，轉而在火星環境中尋找生命存在所必需的物質或元素，以證明火星上存在生命的可能性。因此，太陽系生命搜尋工作的重點轉向了尋找液態水或它曾經存在過的證據。

火星全球勘探者號拍攝的徑流（圖片來源：NASA）

探尋生命存在的可能性

在海盜號之后，由于經濟和技術原因，火星探測陷入一段低谷期。直到20世紀結束，蘇聯、美國、俄羅斯和日本共發射近十個火星探測器，但除了美國的火星全球勘探者號探測器（以下簡稱火星全球勘探者號）和火星探路者號探測器（以下簡稱火星探路者號）外，其他探測器不是發射失敗就是未獲得有用發現。

1996年發射的火星全球勘探者號在火星軌道上總共工作了九年，被認為是極成功的火星探測器。它的任務是拍攝火星全球地表的高分辨率圖像，探究火星的氣候和磁場，幫助科學家們更深入地了解火星上的水和沙塵。通過火星全球勘探者號發回的高清圖像，科學家們發現火星上存在著溝壑與泥石流，甚至從圖像對比中發現了看起來像是由水流沖刷而成的新溝壑。科學家們由此猜測，火星表面可能不僅曾經存在過液態水，甚至現在還有液態水徑流存在。

同年發射的火星探路者號攜帶了旅居者號火星車（又名索杰納，以下簡稱旅居者號），這是人類送往火星的第一臺火星車。旅居者號的氣囊輔助著陸技術也為后來的火星車研發奠定了基礎。而在旅居者號對它的著陸地（一個由古代洪水沖刷形成的488平方米的小島）做了詳盡的觀測后，傳回的照片展示了一片很可能是被水流沖擊過的圓形巖石區域。科學家們由此推測火星的山谷平原可能暴發過多次洪水，當時洪水可能有數百千米寬，水流量約為每秒100萬立方米。雖然在火星上尋找智慧生命的希望已經完全破滅，但這些發現卻從側面證明了火星地表在過去可能也擁有溫暖濕潤、適合生命生存的環境。

火星全球勘探者號拍攝的徑流（圖片來源：NASA）

火星探測活躍期

2001年，NASA在沉寂數年后發射奧德賽號探測器（以下簡稱奧德賽號），重返火星。環繞火星飛行的奧德賽號對火星化學元素和礦藏分布進行了測繪，它對氫元素的測繪幫助科學家們預測出火星地表下存在的大量水冰的位置。后來，2007年發射的鳳凰號探測器專門前往火星北極點附近一個寬約50千米的淺灘尋找地下水冰，驗證了奧德賽號的探測結果，這也是人類首次通過探測器在地球之外獲得水冰樣本。奧德賽號后來成為NASA的一個通信中繼站，幫助后續探測器與地球保持聯系，至今仍在兢兢業業地工作著。

旅居者號的著陸地（圖片來源：NASA）

2003年，歐洲航天局（以下簡稱ESA）也加入火星探測的行列，它的第一個火星探測器——火星快車號成功升空，標志著人類進入火星探測的活躍期。火星快車號包含一顆衛星和一個著陸器。當年達爾文乘坐英國海軍的“小獵犬號”帆船進行了環球考察，為后來提出進化論奠定了基礎，因此科學家們希望著陸器也能幫助他們解答火星生命的相關問題，就把它命名為“小獵犬2號”。雖然“小獵犬2號”著陸器在降落時失蹤，火星快車號攜帶的衛星卻取得了巨大的收獲，它在火星大氣層中辨認出甲烷，一些科學家認為這就是火星地底微生物進行生物反應的產物。

同年，NASA開展了“火星探索巡視器雙生子計劃”，發射了著名的勇氣號和機遇號火星車。原本這兩個小家伙的設計壽命只有三個月，但它們卻在火星上頑強地生存了數年，創造了無數個奇跡。勇氣號在它的著陸地——古謝夫環形山處對附近的巖石進行了鉆孔采樣，通過分析其中的礦物成分，從側面驗證了火星上曾經存在過液態水的結論。勇氣號在陷入一片松軟的沙土地時，為了脫困，輪子在向下深挖時碰巧挖出了一種鹽。在地球上，這種鹽可以在溫泉與火山巖相互作用后形成，這也證明了火星曾擁有溫暖濕潤的地表。2011年，右前輪故障、深陷軟土兩年的勇氣號，因獲取不到足夠的太陽能而長眠于火星。

鳳凰號挖出的水冰（圖片來源：NASA）

與歷盡艱險的勇氣號相比，機遇號就幸運得多了。在著陸于鷹環形山時，一落地它就發現了一種藍色小球。這種巖石是一種赤鐵礦，被認為是在以前富有水的土壤中形成的。在行駛到奮進撞擊坑坑口時，機遇號還發現了地下水流過的白色石膏紋路和在水中形成的黏土，有力地證明了火星曾經擁有濕熱環境。

2019年2月14日，NASA最后一次與機遇號聯系失敗后，宣布結束機遇號的使命。在15個春秋中，它走過了45.16千米，最后因為遭遇巨大沙塵暴，電能耗盡而在火星上永久沉睡。

勇氣號與機遇號都經歷過無數次的險情，每次遇險，團隊成員都做好了與它們告別的準備，但幸運的是幾乎每次它們都能化險為夷。勇氣號和機遇號不僅給人類展現了火星的高山深淵、日出日落美景，也尋找到了火星曾經存在液態水的有力證據，為尋找火星生命甚至為未來人類移居打下了堅實的基礎。

勇氣號拍攝的火星藍色落日（圖片來源：NASA）

2013年，美國發射了第四臺火星車——好奇號，這也是世界上第一臺采用核動力驅動的火星車。好奇號比之前的火星車大了不少，攜帶的精密儀器也更多，是NASA專門為天體生物實驗打造的火星實驗室。它在火星上除了通過對礦物的分析找到了古河床和湖泊遺跡外，還探測到火星土壤的水含量。好奇號利用其攜帶的樣本分析儀，將獲得的火星土壤樣本加熱到835℃，獲得了一定量的水。研究人員說：“現在我們知道火星上應該有豐富的、可輕易獲得的水。”這或許也意味著火星上有足夠的水供未來移居火星的人類使用。

好奇號在行駛過程中發現火星上某地甲烷含量突然飆升，但這些甲烷究竟來自微生物還是化學反應現在仍未有定論。好奇號至今仍在火星上工作，它擴大了人類對火星的探索領域，除了搜集液態水存在的證據外，它還將對火星氣候及地質情況進行評估，為人類探索甚至移居火星做好準備。

機遇號火星車（圖片來源：NASA）

除了美國，其他國家也在積極開展火星探測。2013年，印度首個火星探測器曼加里安號成功發射升空，使印度成為全世界繼美國、蘇聯和歐洲航天局后，第四個成功完成火星探測的國家或組織。中國、俄羅斯、阿聯酋也將相繼發射多個火星探測器，為人類探測火星做出新的貢獻。

2020年，我國首個火星探測器“天問一號”將“搭乘”長征五號運載火箭奔赴火星，這項火星探測任務將成為我國火星探測任務和行星探測任務的起點。天問一號探測器（以下簡稱天問一號）所攜帶的環繞器、著陸器和巡視器，將會幫助它在探測火星的過程中一次性完成“繞”“落”“巡”三大任務。在天問一號抵達火星軌道后，著陸器預計將降落在火星的赤道地區，它可以在降落時緩沖、保護其中的巡視器。安全著陸后的巡視器，將會與留在火星軌道上提供中繼和遙感探測服務的環繞器一起，對火星的地形地貌、表面物質、地下水冰等情況進行勘測。未來可以預見的是，火星依舊是地外生命學和天體生物學的主要研究對象，而且數十年內火星探測的主題也依舊是“液態水”。

中國的天問一號

回看人類探測火星的歷程，一路坎坷，發射探測器的成功率只有50%左右。但無論如何，只要人類的好奇心不死、勇氣不滅，就一定能等來叩開真理大門的機遇。